[혈액과 요의 생화학]혈액의 일반적 성질 1부

혈액은 혈관 속을 끊임없이 순환하는 세포외액에 속하는 물질로 생명유지에 절대적으로 필요하다. 혈액은 각 조직에 산소와 영양물질을 공급하고 물질대사로 발생한 노폐물을 운반하여 체외로 배출되도록 하며, 다양한 생리적인 일을 담당하는 필수적인 매질이다. 요(尿)는 체액의 화학조성을 최적인 조건으로 유지하고 체액에 의한 생체환경의 항상화를 위하여 신장에서 생성되어 체외로 배설되는 액체이다

 

혈액의 기능과 조성

1. 혈액의 기능

혈액은 폐에서 체조직으로 산소를 운반하고 체조직에서 폐로 탄산가스를 운반하는 호흡기능, 흡수된 영양소를 운반하고 용존시키는 영양기능, 대사노폐물을 신장, 폐, 간, 장관, 피부로 운반하여 제거하는 배설기능이 있다. 그리고 순환체액과 조직간의 수분을 교환하여 수분대사를 조절하고 호르몬을 운반하여 대사를 조절하며, 산 염기평형 유지와 체온을 조절하는 등의 조절기능이 있다. 또 외상에 대하여 혈소판응집과 혈액응고인자의 활성화로 fibrin 응괴를 형성하여 출혈을 방지하는 지혈, 세균에 대하여 백혈구에 의한 탐식이나 순환항체에 의하여 감염으로부터 방어하는 보호기능이 있다.

 

2. 혈액의 조성과 물리적 성질

혈액은 약 55%의 체액성분인 혈장(plasma)과 약 45%의 유형성분인 혈구(blood cell)로 되어 있다. 혈장은 92%가 수분이고 6.5∼7%가 혈장단백질이며 나머지 1∼1.5%는 무기염류, 효소, 호르몬, 비타민, 지질, 당질로 되어 있다.같다. 유형성분인 혈구는 적혈구(erythrocyte; RBC), 백혈구(leucocyte; WBC) 및 혈소판(platelet)으로 되어 있다.

혈액량은 체중의 1/12∼1/13(약 8%)로 4.5∼5.5ℓ(63∼80㎖/㎏) 정도이며 비중은 혈액 1.035∼1.075(1.056), 혈장 1.015∼1.035(1.026)이다. 혈액의 pH는 7.3∼7.5(7.4)이고 상대적 점도는 혈액 4.4∼4.5, 혈청 1.8∼2.1이다. 혈액의 삼투압은 289mOsm/kg water로 혈장삼투압과 같으며 또 0.9% 생리적 식염수, 5% 포도당용액, 또는 0.25M 설탕용액과 같다. 혈액의 삼투압은 주로 혈액 중에 용존하는 무기염류나 단백질에 기인한다. 혈구용적(hematocrit)은 남 42%, 여 37%이다.

 

3. 혈액의 화학성분

혈액은 80%가 물이고 18%는 단백질이며 나머지 2%는 지질, 당질, 무기질, 질소화합물로 구성되어 있다. 단백질은 혈구단백으로 hemoglobin, 혈장단백으로 fibrinogen, albumin, globulin 등이 함유되어 있다. 지질성분은 인지질, 지방산, triglyceride, cholesterol 등이며 질소화합물은 요소, 요산, creatinine, 아미노산 등이다. 

무기물은 Cl-, HCO3-, H2PO4-, HPO4-, SO42- 등의 음이온과 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 등의 양이온이며 혈장에는 Na+와 Cl-가 전체의 85%를 차지하고, 혈구내에는 K+와 Cl-가 전체의 80% 정도를 차지한다. 그 외에 미량의 아세톤체, 담즙색소, 젖산, 요오드, 효소, 호르몬 등이 함유되어 있다. 혈액의 화학성분과 함유량을 표 20.1에 나타내었다.

∴ 혈액의 화학성분(단백질)과 함유량

성 분 (단백질)	함 유 량
전 체	5∼8g/㎗
Albumin(혈청, 22% Na2SO4에서 측정)	3.5∼5.5g/㎗
Globulin(혈청, 22% Na2SO4에서 측정)	1.5∼3.0g/㎗
Fibrinogen(혈장)	0.2∼0.6g/㎗
Hemoglobin(혈액)	남 : 14∼18g/㎗, 여 : 12∼16g/㎗

 

∴ 혈액의 화학성분(당질)과 함유량표

성 분 (당질)	함 유 량
Glucose(혈액)(Folin)	80∼120㎎/㎗
Glucose(혈액)(true)	60∼100㎎/㎗

 

∴ 혈액의 화학성분(지질)과 함유량표

성 분 (지질)	함 유 량
총지질	500∼600㎎/㎗
Triglyceride(혈청)	〈165㎎/㎗
인지질(혈청)	145∼200㎎/㎗
Cholesterol(혈청)	150∼280㎎/㎗
Cholesteryl ester(혈청)	전체 cholesterol의 50∼60%
Aldosterone(혈장)	0.003∼0.01㎍/㎗
Carotenoid(혈청)	50∼300㎍/㎗
Bilirubin(혈청)	0.1∼0.4㎎/㎗(직접), 0.2∼0.7㎎/㎗(간접)
Cortisol(유리, 혈장)	4∼18㎍/㎗
Ketone체(혈장)	0.3∼2.0㎎/㎗
젖산(혈액, in iodoacetate)	4∼16㎎/㎗
Pyruvate(혈액)	0.7∼2㎎/㎗

 

∴ 혈액의 화학성분(무기질)과 함유량표

성 분 (무기질)	함 유 량
Na(혈청)	310∼340㎎/㎗
K(혈청)	14∼20㎎/㎗
Ca(혈청)	9∼10.6㎎/㎗
㎎(혈청)	1∼3㎎/㎗
중탄산염(혈청)	205∼235㎎/㎗
I2(BEI)(혈청)	3∼6.5㎍/㎗
I2(단백질결합성)(혈청)	4∼8㎍/㎗
Fe(혈청)	65∼175㎍/㎗
Fe 결합능(혈청)	250∼410㎍/㎗
암모니아(혈액)	40∼70㎍/㎗
염화물(혈청)	350∼375㎎/㎗
Cu(혈청)	100∼200㎍/㎗
P(혈청)	3∼4.5㎎/㎗(소아 4∼7㎎/㎗)
황산염(혈청 또는 혈장)	0.5∼1.5mEq/㎗

∴ 혈액의 화학성분(비타민)과 함유량표

성 분 (비타민)	함 유 량
A(혈청)	24∼60㎍/㎗(26∼60IU/㎗)
B1(혈청)	5∼14㎍/㎗
C(혈장)	0.4∼1.5㎎/㎗(절식)
C(백혈구)	25∼40㎎/㎗
D(혈청)	1.5∼4.5㎍/㎗
E(혈청)	0.9∼1.9㎎/㎗

∴ 혈액의 화학성분(비단백질성 질소화합물)과 함유량표

성 분 (비단백질성 질소화합물)	함 유 량
NPN(혈청 또는 혈액)	15∼35㎎/㎗
요소질소(혈청 또는 혈액)	8∼20㎎/㎗
Creatinine(혈청 또는 혈액)	0.7∼1.5㎎/㎗
Creatine(혈장)	2∼6㎎/㎗
아미노산 질소(혈장)	3∼5.5㎎/㎗
Glutamine(혈장)	5∼12㎎/㎗
요산(혈청)	3∼7.5㎎/㎗

∴ 혈액의 화학성분(효 소)과 함유량표

성 분 (효 소)	함 유 량
Amylase(혈청)	0.8∼3.2IU/ℓ
Glutamic-oxaloacetic transferase(SGOT)(혈청)	5∼40 unit
Glutamic-pyruvic transferase(SGPT)(혈청)	5∼35 unit
Lipase(혈청)	0.5∼1.5 unit(㎖ 0.1N NaOH)
산성 phosphatase(혈장)	0.1∼0.63 unit(㎖ 0.1N NaOH)
알칼리성 phosphatase(혈장)	0.8∼2.3 unit(Bessey-Lowry)

 

혈구(Blood Cell)

혈구는 대부분 간세포(stem cell)에서 유래하게 되며 적아구(hematoblast), 대골수아구(macromyeloblast), 과립구(granulocyte), 림프아구(lymphoblast), 단구(monocyte)가 비슷한 순서로 분화한다. 혈구는 태생 10일∼2개월의 중배엽기에는 난황낭에서 만들어지며 주로 유핵 원시적아구이다.

2개월 째에는 적아구가 간장에서 생산되며 과립구, 대골수아구, 림프구, 단구 등도 나타난다. 태생 2개월 반의 간장기부터 간과 비장에서 적혈구, 림프구가 만들어지고 태생 4개월의 골수기부터는 골수에서 조혈되며 림프조직, 흉선이 림프구를 생성한다. 태생 5개월 이후부터의 성인기에는 골수에서 적혈구, 혈소판, 백혈구를 생산하며 흉선, 림프조직이 림프구인 T 세포, B 세포를 생성한다.

 

1. 적혈구(erythrocyte, red blood cell)

1) 적혈구의 성상

적혈구는 직경 7.5∼8.0㎛의 중앙이 움푹 들어간 원반형이고 골수 중의 간세포에서 적아구를 거쳐 핵을 세포막의 일부와 함께 방출한 나머지가 적혈구이며 ribosome과 약간의 세포내 성분을 남기고 있으나 1∼3일 후에 이것이 없어지고 성숙세포로 되어 혈액을 순환한다. 성숙 적혈구는 적혈구막과 가용성 성분으로 구성되어 있다. 적혈구막은 초질 또는 ghost cell이라 하며 cholesterol, lecithin, cephalin, albuminoid 등으로 되어 있다. 가용성 성분은 내장이라고도 하며 hemoglobin (30∼33%), 당(0.1%), 염류(0.7%, K >Na), 물(64∼65%) 등이 주성분이다.

가용성 성분에는 이외에도 glutathione, ADP, ATP, NAD+, NADP+, carbonate dehydratase, catalase, peptidase, choline esterase 등의 효소, 해당계, HMP 경로계, 약간의 nucleotide 대사계(ATP 합성, NAD+ 및 NADP+의 환원), glutathione 환원계, hemoglobin 환원효소계, 인지질 대사계 등이 함유되어 있다. 적혈구의 평균수명은 120일이며 노화된 적혈구는 구형으로 되고 비장에서 식작용을 받는다.

 

2) Hemoglobin

Hemoglobin은 척추동물의 적혈구에 함유되어 있는 분자량 64,000의 산소결합성 단백질이다. 인간의 hemoglobin은 α 사슬계(α,ζ) subunit 2개와 비 α 사슬계(β, γ, δ, ε) subunit 2개로 구성되어 있는 4량체이다. 성인에서는 96.5∼98.5%가 HbA1(α2β2)이고 1.5∼3.5%가 HbA2(α2δ2)이다. 각 사슬은 보결분자단으로 1개의 heme기(protoporphyrin Ⅸ)를 포함하고 있으며 각 heme기는 산소 1 분자와 결합할 수 있다. Hemoglobin의 이러한 구조적 특성은 폐로부터 조직으로 산소를 운반하는데 적합하다.

폐 정맥혈 중의 hemoglobin은 100mmHg의 산소분압(pO2)에서 산소로 포화되어야 하며 혈액이 20mmHg 정도의 산소분압을 가지는 말초조직에 도달했을 때 상당한 양의 산소를 조직에 방출하여야 한다. 이러한 조건은 S자형(sigmoidal)의 산소해리곡선을 요구한다. 그림 1과 같은 S자형의 산소해리곡선은 hemoglobin 내의 heme 성분사이에 상호 협동작용을 필요로 한다. Hemoglobin은 협동효과를 나타내는 4개의 상호작용 subunit를 함유하므로 이러한 일이 가능하다.

Hemoglobin 분자가 1 분자의 산소를 취하면 이것은 계속하여 4개의 산소분자를 얻는 경향을 가지며 산소로 포화된 hemoglobin 분자가 하나의 산소분자를 상실하면 2 분자, 3 분자가 떨어져 나가게 된다. 그러므로 폐정맥과 말초조직 혈액사이의 산소분압 범위내에서 hemoglobin분자는 많은 양의 산소를 공급할 수 있는 것이다. 근육에 존재하는 myoglobin은 hemoglobin의 subunit와 비슷한 3차구조를 가지고 있지만 하나의 subunit로만 되어 있으므로(즉 4차구조를 가지지 않으므로) 이러한 협동효과를 나타내지 못하며 쌍곡선형(hyperbolic) 산소포화곡선을 나타낸다.

산소포화곡선의 S자형 성질이 커질수록 산소분압감소 단위당 방출되는 산소의 양은 더 많아진다. 적혈구에서 hemoglobin의 협동성은 pH, CO2, 및 2,3-diphosphoglycerate에 의하여 영향을 받지만 myoglobin은 협동성이 없으므로 이러한 물질에 의해 영향을 받지 않는다. 산소화된 hemoglobin을 oxyhemoglobin(HbO2)이라 하고 540 및 577㎚에서 흡수극대를 나타내어 선홍색을 띤다. 탈산소화된 것을 deoxyhemoglobin(Hb)이라 하고 555㎚에서 흡수극대를 나타내며 자홍색을 띤다.

그림 1 Hemoglobin(Hb)과 myoglobin(Mb)의 산소포화곡선

3) 빈혈증과 다혈증

빈혈(anemia)은 단위체적당의 적혈구수 또는 hemoglobin 농도가 감소한 상태로 출혈성빈혈, 조혈 감소, hemoglobin 합성 저하 또는 적혈구 파괴 항진 등이 원인이다. 영양성빈혈과 악성빈혈은 조혈 감소와 hemoglobin 합성 저하에 의한 것이다. 표 2에 빈혈의 종류와 원인을 나타내었다. 다혈증(polycythemia)은 hemoglobin이나 적혈구가 비정상적으로 많은 경우를 말한다. 전혈장 용적이 감소하기 때문에 상대적으로 hemoglobin이나 적혈구가 증가하는 상대적 다혈증과 산소부족, 순환부전 등이 자극으로 되어 조혈이 항진하는 절대적 다혈증이 있다.

 

∴ 빈혈의 형태와 원인표

질 환		원 인
출 혈		급성 및 만성출혈에 의한 혈액상실
조혈장해	악성빈혈 (고색소성 거적아구성 빈혈)	비타민 B12 결핍 : 적혈구 성숙에 필요한 인자 결여에 의한 적혈구 형성 부전 때문에 일어나는 빈혈로 적혈구 생성은 내재인자(위액 등) 및 외재인자(비타민 B12)에 의해 자극된다.
	악성빈혈양 빈혈	엽산결핍
	재생불량성 빈혈	약물중독 등에 의한 중독성, 항체 또는 방사선장해 등에 의한 적혈구의 파괴
Hemoglobin 합성저해 (저색소성 빈혈)	철결핍성 빈혈(영양성빈혈)	철이나 단백질의 섭취부족이나 흡수성의 저하
	철불응성 빈혈	heme 합성의 장해, 예를들면 uroporphyrin decarboxylase의 결핍
	유전성 transferrin 결핍증	transferrin 합성 장해
용혈 (막의 결함)	구상적혈구용혈성 빈혈(구상적혈구증)	용혈독에 의한 적혈구의 붕괴
	효소저하성 용혈성 빈혈	효소결손, 예를들면 해당계 또는 오탄당인산회로 효소의 결손
겸상적혈구 등 hemoglobin증(병적 hemoglobin(HbS)의 출현)	α-thalassemia(가족성 적아구성 빈혈, 지중해성 빈혈)	hemoglobin α사슬의 합성저하 또는 합성결손
	β-thalassemia	hemoglobin β사슬의 합성저하 또는 합성결손

 

4) 용혈(hemolysis)

적혈구막이 파괴되어 가용성 성분이 용출하여 적색의 투명한 액체로 되는 현상을 용혈이라 하며 체내에서 용혈이 일어나면 혈색소뇨를 배설한다. 용혈은 여러 가지 원인에 의해 일어난다. 적혈구의 삼투압이 주위 액체의 삼투압과 크게 차이가 날 때는 일어나는 삼투적 용혈, ether, chloroform 등과 같은 지방용제나 비누, saponin, 담즙산염 등과 같은 계면활성제와 접촉하면 일어나는 화학적 용혈, 뱀독, 거미독, 벌독, 용혈성 연쇄구균(streptolysin S 및 O), 파상풍균독(tetanolysin), 포도상구균(α 용혈소), 용혈항체 등에 의한 독소성 용혈, 진탕, 가열, 동결, 격심한 근육운동, 방사선 조사 등에 의한 기계적 자극 용혈 등이 있다.

 

5) 적혈구 침강속도

구연산나트륨을 가하여 응고되지 않도록 한 혈액을 가느다란 유리관에 넣어 세워 두면 적혈구는 혈장보다 무겁기 때문에 가라앉게 된다. 이 때 가라앉는 속도를 적혈구 침강속도 또는 혈침이라고 하며 결핵, 패혈증, 악성종양, 급성감염증과 같은 질병의 진단 보조수단으로 이용한다. 

3.8% 구연산나트륨 0.4㎖와 혈액 1.6㎖를 잘 혼합하여 길이 200mm의 눈금이 있는 유리관(내경 2mm)에 흡인하고 이것을 수직으로 세워 상부 혈장층의 길이를 1시간 후, 2시간 후에 각각 읽고 평균 1시간치로 표시한다.(Westergren법)

정상치는 남 2∼4mm/h, 여 3∼6mm/h, 어린이 0.5mm/h이다. 열성질환, 전염성질환, 악성종양, 백혈병, 빈혈, 네프로시스일 때나 fibrinogen, globulin의 존재는 침강을 촉진하며 다혈증, 간장질환일 때나 albumin의 존재는 침강을 지연시킨다.

 

2. 백혈구(leucocyte)

백혈구는 백색혈액세포의 총칭으로 과립구(58.5%), 림프구(36.5%), 단구(5%)로 구분된다. 이들은 모두 면역방어기능을 가지며 염증, 전염성질환 등일 때는 증가하고 티푸스, 설파제 투여, 비소중독, 방사선 조사, 장기간의 영양장해일 때에는 감소한다.

 

3. 과립구(granulocyte)

과립구는 형태나 염색성에 따라 호중구(neutrophil), 호산구(eosinophil), 호염기구(basophil)로 구분된다. 과립구는 수명 9∼13일이고 혈중 잠재시간은 7∼9시간이며 골수와 말초조직에도 존재한다. 해당계를 가지며 peroxidase, flavin 효소, 단백질분해효소류, 알칼리성 phosphatase를 가진다. 그 기능은 탐식과 살균으로 아메바형의 화학주성으로 혈관 내외의 세균이나 이물질과 접촉하여 이것을 탐식공포(phagosome)로 흡수하고 HMP 경로나 glutathione 산화효소가 관여하여 탐식한다. Peroxidase에 의해 요오드화합물의 요오드를 유리하여 세포막 상에 부착시켜 막구조를 파괴하는 것으로 살균한다. 가수분해효소 lysozyme은 세균 유래의 물질을 분해한다.

 

4. 림프구(lymphocyte)

흉선에서는 T-림프구(세포성면역반응에 관여)가 만들어지며 골수와 장의 Peyer판에서는 B-림프구(체액성면역반응에 관여)가 만들어진다. 면역능력을 가진 세포로 변화할 때는 DNA, RNA 합성의 촉진과 세포막 인지질의 변화를 동반한다.

 

5. 단구(monocyte)

조직대식세포(macrophage) 및 조직구는 혈액 중에서 단구(monocyte)로서 순환한다. 아메바형 운동을 하며 탐식능력을 가진다.

 

6. 백혈병(leukemia) 또는 조혈장기 증식증(hemoblastosis)

골수, 림프계 및 망내 조직구에서 미분화세포의 형성이 증가하여 혈중으로 들어가는 질환이며 빈혈, 백혈구 증가증, 혈소판 감소증 등을 일으키며 단독종양으로서 골수아종, 림프아종, 형질세포종 등을 일으킨다. 또 이차적으로는 간, 비장, 림프절 등에 악성종양이 생긴다.

 

7. 혈소판(栓球)

혈소판(blood platelet)은 골수에 존재하는 거핵구가 단편화되어 생긴다. 세포 중에는 핵이 없으나 polysome, mitochondria 및 과립을 가지고 있다. 그의 기능은 손상부위의 내피 및 체외성 이물 표면에 부착(접착성), 혈액응괴의 퇴축(아메바 운동성), 초기에는 가역성, 후에는 비가역성으로 되는 응집괴 형성(점성 변형성) 등이다. 혈관이 손상을 받으면 혈소판은 유리 collagen과 접촉하여 활성화된다. 

이 결과 혈소판막의 구조가 변화하여 응집하고 ATP, ADP, 칼슘, serotonin 및 인지질을 함유하는 혈소판인자 3(혈액응고촉진 활성물질), 그리고 혈소판 유래의 염기성 polypeptide인 성장인자를 방출한다. ADP, 칼슘, serotonin 등은 응집괴의 비대화를 조장하고 또 ADP는 다른 혈소판을 활성화하며 serotonin은 혈관을 수축시켜 지혈되기 쉽게 한다. 혈소판인자 3은 혈청의 혈액응고계에 대하여 촉매작용을 가지며 혈액응고를 촉진시켜 혈전이 형성되게 한다.

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